JP4682169B2 - ガス検出方法及びガス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、国際公開２００５／０２６７０５Ａ１号パンフレットに開示したような特に低コストの赤外線（ＩＲ）によるガス検出方法及びガス検出装置に関する。

公開された特許文献１に記載されているように、ガス検出方法及びガス検出装置は、波長変調した面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）又は分布帰還レーザ（ＤＦＢレーザ）を光源とし、波長の変調が直接にレーザ光源の出力強度の変調に結びついているとの事実を利用している。従って、ガス吸収線を中心に波長を交互に走査すると、ガスを通過して検出器に入射する光の強度は、レーザ光源の強度に関連する第１の変調及びガス吸収に関連する第２の変調を示す。従って、周知の検出法及び装置は、波長変調したレーザ光源による初期光信号を提供することになる。

光源は、検出すべきガスの吸収線近辺において、与えられた初期周波数（ｆ）における交流変調信号によって変調した初期光信号を提供する。濃度を検出すべきガスを受ける検出域周辺に光センサを配置する。光センサは検出域を通過した初期光信号により生成された光信号を受信する。次いで、受信した光信号の時間により微分した値に比例する検出信号が生成される。更に、与えられた周波数（ｆ）における第一の変調基準信号を生成する第一の手段及び与えられた周波数の倍の周波数（２ｆ）における第二の変調基準信号を生成する第二の手段も開示されている。検出信号と第一の基準信号との積を時間によって積分して、初期光信号の強度の関数であり、ガス濃度には殆ど依存しない第一の測定信号を得る。更に、検出信号と第二の基準信号との積に時間によって積分して、ガス吸収の関数であり、与えられた初期周波数における初期光信号の強度変調には殆ど依存しない第二の測定信号を得る。第二の測定信号を第一の測定信号で除することにより、ガスの濃度又は存在に関連する最終の測定信号を得る。このガス検出方法及び装置は、１つにレーザ光源に対し単一のセンサユニットしか必要としない利点がある。ガス濃度を正確に決定するのに必要な全ての情報は、測定すべきガス試料を通過した後に、センサユニットで受信した光信号の微分値に比例する検出信号を処理することにより得られる。

第一及び第二の変調基準信号は初期光信号の強度変化と同位相である。この周知の技術を用いて、検出信号を時間によって微分し、微分された信号を２−チャネルのロックイン増幅器に入力する。第一のチャネルは変調周波数ｆ上で作動し、出力信号はレーザ電流の関数としての光出力の勾配に比例する。第二のチャネルは2倍の変調周波数２ｆ上で作動し、レーザ光線を照射されたガス濃度に比例する出力信号を得る。レーザ強度の変化は、ほこり、凝縮物、ゴミなどの光路の光学的劣化によるとの前提に基づくと、周波数ｆにおける測定信号はレーザ強度に関する情報を含むので、周波数２ｆにおける測定信号の周波数ｆにおける測定信号に対する比率は、レーザ出力には依存しない絶対ガス濃度を与える。この前提は下記の２つの条件においてのみ成り立つ。

１．レーザにはモードホッピングは生じない、すなわち波長の急変はない。もし、そのようなモードホッピングが生じたら、レーザの直流電流を変化させて波長を再調整するが、その代わりにレーザの出力が変化する。面発光レーザに関しては、周波数ｆにおける信号により測定した勾配を必ずしも変更する必要はない。分布帰還（ＤＦＢ）レーザの場合には、レーザの出力は完全に直流電流に比例するが、レーザの出力値が変化しても周波数ｆにおいて同じ信号が生成される。

２．レーザの温度を精度よく安定させる。レーザの温度が変化すると、波長が変化するので、ガス吸収線に波長を合わせるようにレーザの直流電流の再調整が必要となる。そのような電流の変更は、１項で述べたようにレーザの出力を変化させる。

特許文献１に述べた方法に関しては、周波数ｆにおける変調基準信号に基づく信号はガス吸収線の中心付近に、ガス吸収に比例する勾配を示す。高ガス濃度では、レーザの直流電流の誤差が周波数ｆにおける変調基準信号に影響するので、測定精度はレーザの直流電流の精度に依存する。電流が変動すると、レーザ信号が変動し、その効果はガス濃度と共に増加する。このことは、先行技術による方法及び装置では、レーザの温度制御への要求度が高くする必要な場合があり、熱を十分に考慮して取付けることが必要となる。ＤＦＢレーザ及び面発光レーザはその熱収支が極めて異なっているので、直流電流の調整に常時に必要なガス吸収線の追跡と併せて温度追跡も行う必要がある。

出願人による特許文献２（欧州特許出願番号０５０１６９４８．１、特開２００７−４０９９５に相当）には以下のように記載されている。

初期周波数の２倍の周波数における第一の変調基準信号はそれぞれの手段により生成され、その第一の変調基準信号は初期光信号に対し４５°の位相角を有する。第一の変調基準信号は振幅レベル１と０の間の振幅で振動し、第二の変調基準信号の振幅レベルとは異なっている。最終的には、測定結果としての光信号から受けた検出信号と第一の変調基準信号との積が算出される。このように、第一の変調基準信号は、周波数ｆ上ではなく、振幅レベル及び第一の変調基準信号と初期周波数との間の位相変移角４５°において僅かに変調した２ｆ変調基準信号を用いて、周波数２ｆ上において測定される。時間による微分によって得られる位相と同一の位相を有する初期信号を提供することが必要である。更に、初期光信号の強度の関数である第一の測定信号が生成されるように、検出信号を微分せずに直接にロックイン増幅器に入力する。得られる信号は、ガス吸収（即ち、レーザと検出器の間の光線の劣化も含む）の無い場合に検出器によって得られる光強度に直接に比例する。ガス検出の特殊な応用において、最終測定信号を安定的に得るために、第一の２ｆ変調基準信号及びその信号処理を他の処理と組み合わせること提案されている。別の実施例においては、初期周波数ｆの２倍の周波数において第二の変調基準信号を生成させることにより、第一及び第二の変調基準信号は初期光信号と同一位相の相関関係を有することになる。従って、両信号ともレーザ光源の交流変調信号に対して４５°の位相角を有している。更に、第二の変調基準信号は振幅レベル１と−１の間を振動する。第二の測定信号を生成させるために、測定された光信号から直接に得た検出信号と第二の変調基準信号との積が、ロックイン増幅器により算出される。最終測定信号は上述の比率により得られる。この実施例では、２ｆ変調基準信号に基づいて、測定された光信号から直接に得られた検出信号を用いて得られた第一及び第二の測定信号より、最終信号が得られる。別の実施例では、第二の変調基準信号は初期周波数ｆの２倍の周波数において生成され、これにより第二の変調基準信号が初期光信号の強度変化と全く同一の位相となる。検出手段によって生成された検出信号は、測定光信号の時間による微分値にほぼ比例し、この検出信号と第二の変調基準信号との積が第二測定信号として生成される。この信号処理により、レーザの温度及び突然の波長の変動に依存しない最良の結果が得られる。この実施例においても、最終測定信号は、２ｆ変調基準信号に基づいた第一及び第二の測定信号により得られるが、ガス吸収の関数である第二の測定信号は、検出信号の時間による微分値を用いて得られる。更に、電子部品の数が多い別の実施例においては、初期光信号の強度の関数である２つの測定値を生成させるために、周波数ｆ及び２ｆにおける２つの変調基準信号が用いられる。第一の２ｆ変調基準信号に基づく第一の測定信号に加えて、初期光信号の強度の関数である第三の測定信号を生成させることにより、このことが実現する。検出信号と初期周波数ｆにおける第三の変調基準信号との積を算出し、この積を時間により積分することにより、第三の測定信号が得られる。第二の測定信号は、検出信号と、初期周波数ｆの2倍の周波数における第二の２ｆ変調基準信号との積を算出し、この積を時間により積分することにより得られる。第三及び第二の変調基準信号は初期光信号の強度の変動と全く同一位相であり、双方の測定信号に対する検出信号は測定した光信号の時間による微分値にほぼ比例する。第一及び第三の測定信号を相関させ、第二の測定信号と第一及び第三の測定信号とを相関させた信号との比率が最終測定信号として得られる。

一般的に、波長変調レーザ分光においては、レーザ波長は変調周波数ｆにおいて変調される。測定すべき試料ガスを通過した後、レーザ光は光検出器へと入射する。一般的には、光検出器の信号は位相に敏感なロックイン増幅器へと送られ、ガス濃度は２倍の変調周波数に関する光検出器の信号に関連付けられる（２ｆ検出）。

２ｆ検出は次のような種々の雑音源により制限される。
・（レーザ強度を測定することにより部分的には校正可能な）レーザ強度の雑音
・光検出器及び／又は増幅回路からの電子的雑音
・光の干渉に起因する雑音

光の干渉に起因する雑音はスペックル雑音又はエタロン縞の形を取る。スペックル雑音は、塵、埃などの不規則な状態においてのコヒーレントなレーザ光の回折により生ずる。スペックル雑音は本発明の目的ではない。

エタロン縞は、光路内の光学的界面（すなわち窓、レンズ、鏡など）からの反射された光によって引き起こされる。反射されたレーザ光は、レーザ光線と干渉するので、反射光とレーザ光の相互作用によりガス吸収装置のキャビティ（すなわち測定すべきガスを含む吸収経路の自由空間）内に定在波が生成される。

キャビティの長さを変化させると、光検出器の位置における定在波は、キャビティ長さに依存する最小と最大の振幅の間を周期的に変化する。キャビティ長を一定とし、レーザ光波長を変化させても、同じ効果が得られる。キャビティ長又はレーザ波長の変化に対応した周期的な振幅の変化は「エタロン縞(etalon fringes)」と呼ばれる。図１Ａにはメタンガスの濃度ゼロにおけるエタロン縞が示されている（図では、電子的雑音と分解されていない）。図１Ｂはメタンガスの存在下におけるエタロン縞が示されている。エタロン縞は、吸収ピークの中心におけるガス吸収信号とほぼ同じ大きさである。

実際のガス検出装置では、装置の構造物の熱膨張によりキャビティの長さが変化する。例えば、１０ｃｍの鋼（熱膨張係数１０ｐｐｍ／℃）の温度を０℃から５０℃へと変化させると、キャビティ長は５マイクロメータとなる。この長さ変化はレーザの波長の３ないし４倍であり、従って大きなエタロン縞が生成される。エタロン縞は、レーザ強度とは直接に相関せず、従ってレーザ強度を測定しても校正はできない。

周囲の温度又はレーザ波長（駆動電流）に関してのエタロン縞の周期は、キャビティの長さの関数であり、キャビティが長いほどエタロン縞は短くなる。面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）に基づいたガス検出装置では、エタロン縞を生成するキャビティの長さが、典型的な吸収経路の長さである数ｃｍであれば、エタロン縞の周期は（波長で表示した）ガス吸収ピークと同じオーダーである。小さなキャビティ、すなわちレーザキャップの窓は、面発光レーザの調整範囲よりも長い周期を有するエタロン縞を生成する。このような場合には、温度変化による信号の変化は信号オフセットの変化に類似している。

ガス検出装置は必ず光学的界面（少なくともレーザチップは光学窓の下に密封されている）を含み、装置の操作は必ず熱膨張を伴う。従って、波長変調型分光に基づくガス検出装置の大部分は、電子的雑音よりもエタロン縞により検出の下限が限定される。このように、エタロン縞を抑制することがガス検出装置の性能（精度、検出限度）の向上の鍵である。

エタロン縞の抑制には幾つかの方法がある。

第一は、ガス検出装置の光学部品の１つ、好ましくは鏡の位置を周期的に変化させる方法である。例えば、圧電式位置決め機構上に鏡を設置し、（波長変調の周波数によって異なる周波数の）交流電圧により該機構を駆動することにより、鏡の位置を変化させることができる。この方法ではエタロン縞の全振幅に変化が生ずる効果がある。光検出器の増幅器の時定数が圧電駆動用交流電圧の周期よりも著しく高い限りは、増幅器の出力信号は、エタロン縞の全ての振幅の平均値となるので、エタロン縞は熱膨張による影響は受けない。どのような光学的構成に対しても、エタロン縞の抑制を最大となるように圧電駆動用交流電圧の周波数及び振幅を最適化できる。

第二は、変調周波数とは無関係の第２の周波数においてレーザ波長を変調してエタロン縞を抑制する方法である。上記の方法と同じように、第２の変調による波長の変化はエタロン縞の振幅を一時的に変化させる。増幅器の時定数が第２の変調周波数の周期よりも著しく高い場合には、変化した振幅は光検出器の増幅器により平均化される。同様に、第２の波長変調の振幅及び周波数はエタロン縞の抑制が最大となるように最適化する必要がある。

その他に、（第１の波長変調中に）ガスの吸収ピーク（波長表示）をゆっくりと走査する方法がある。ここでは、２ｆ信号の走査結果からエタロン縞の振幅及び周波数が計算される。この方法では、ガス吸収ピークを走査する２ｆの増幅器信号の波長走査する必要があり、それにより測定が遅くなることが主な問題点である。

絶対的な抑制手法は無いので、エタロン縞を抑制する方法の共通点は残留するエタロン縞により大部分のガス検出装置の性能が限られることである。図２Ａには、（酸素濃度０の）第２の独立した波長変調を用いた酸素検出器の残留エタロン縞が示され、残留エタロン縞は電子的雑音の約３倍である。図２Ｂには、図２Ａと同じ検出器で３つの酸素の吸収ピークがある場合が示されている。
国際公開２００５／０２６７０５Ａ１号パンフレット 特開２００７−４０９９５号公報

上記を鑑みて、本発明の目的は、ガス検出に際して、温度及び突然の波長の変化への依存度の低いエタロン縞の抑制できるガス検出方法及びガス検出装置を提供することである。

更に、エタロン縞の抑制方法に基づいて、初期の光信号の強度の関数であり且つほとんどガス濃度に依存しない第１の測定信号が、より簡単に生成できるガス検出方法及びガス検出装置を提供することも本発明の目的である。

上記課題は、下記のように構成したガス検出方法及びガス検出装置により解決される。

（１）直流電流により駆動される波長変調されたレーザ光源（１）により初期光信号（Ｓ_０）が与えられる工程、検出すべきガスの吸収線に対して対称な初期周波数（ｆ）において初期光信号（Ｓ_０）を波長変調するために、第１の基準信号として初期周波数における交流変調信号（Ｓ_ｆ）が与えられる工程、ガス吸収線に対して対称的に交互に走査して得られた時間により強度変化する初期光信号（Ｓ_０）は、少なくとも１つのガスが検出されるようにガス検出域（４）を通過させる工程、ガス検出域（４）を通過したガスにより初期光信号（Ｓ_０）の強度が変化した結果を含む光信号（Ｓ_Ｇ）が検出手段（８）によって受信され検出信号（Ｓ_Ｄ）として出力される工程、初期光信号（Ｓ_０）の強度の関数である検出信号（Ｓ_Ｄ、Ｓ_ＤＣ１、Ｓ_ＤＣ２）から少なくとも１つの測定信号（Ｓ_ＭＩ）を生成させる工程、ガス吸収に依存するが初期周波数（ｆ）における初期光信号（Ｓ_０）の強度変調に依存しない第２の測定信号（Ｓ_ＭＡ）を生成させるために、光信号（Ｓ_Ｇ）を時間で微分した微分検出信号（Ｓ_ＤＡ）と、所定の振幅及び初期光信号（Ｓ_０）の強度変化と所定の相関関係を有する初期周波数（ｆ）の２倍の周波数における変調基準信号（Ｓ_２ｆ）との積が時間に渉って積分される工程、第２の測定信号（Ｓ_ＭＡ）を少なくとも１つの測定信号（Ｓ_ＭＩ）で除することにより検出手段（８）へ入射する光強度に依存しない最終測定信号（Ｓ_Ｍ）がガス濃度に関連する信号として得られる工程を含んで構成されたガス検出方法であって、少なくとも１つの測定信号（Ｓ _ＭＩ ）は時間による微分をしない検出信号（Ｓ _Ｄ 、Ｓ _ＤＣ１ 、Ｓ _ＤＣ２ ）より生成され、レーザ光源がガス吸収ピークにおいて操作されて２倍の周波数（２ｆ）における第１の前測定信号（Ｓ_Ｍ０）が得られ、レーザ光源がガス吸収ピークよりも短波長において第１の直流駆動電流で操作されて２倍の周波数（２ｆ）における第２の前測定信号（Ｓ_Ｍ１）が得られ且つレーザ光源がガス吸収ピークよりも長波長において第２の直流駆動電流で操作されて２倍の周波数（２ｆ）における第３の前測定信号（Ｓ_Ｍ２）が得られ、ここで前記第１の直流駆動電流と前記第２の直流電流との差は前工程である校正工程で決定されるエタロン縞の周期に相当し、且つ第１の前測定信号（Ｓ_Ｍ０）と、第２の前測定信号（Ｓ_Ｍ１）及び第３の前測定信号（Ｓ_Ｍ２）の算術平均との差として第２の測定信号（Ｓ_ＭＡ）が決定されることを特徴とするガス検出方法。

（２）測定すべきガスの無い状態においてレーザ用の直流駆動電流の関数としての測定校正信号（Ｓ_ＭＣ）が生成され、且つ極大値間の直流駆動電流の差としてエタロン縞の周期が決定されることにより前記校正工程が実行されることを特徴とする前記（１）に記載のガス検出方法。

（３）レー光源がガス吸収ピークより短波長において直流駆動電流により操作される際に得られる第１の検出信号（Ｓ_ＤＣ１）と、レーザ光源がガス吸収ピークよりも長波長において直流駆動電流により操作される際に得られ第２の検出信号（Ｓ_ＤＣ２）とからその算術平均を算出することにより第１の測定信号（Ｓ_ＭＩ）が生成されることを特徴とする前記（１）に記載のガス検出方法。

（４）初期光信号（Ｓ_０）を与える少なくとも１つの波長変調されたレーザ光源（１）、少なくとも１つの検出すべきガスを受容するガス検出域（４）、初期周波数（ｆ）において前記ガスの吸収線に対して対称に変調し、且つ時間によって強度変化する初期光信号（Ｓ_０）を得るために、直流電流信号を規定する直流電源制御手段（１３）、前記ガス吸収線の周りの初期光信号（Ｓ_０）の光強度を所定の初期周波数（ｆ）で交互に操作するための交流電源信号を規定する交流処理手段（１４）、検出域（４）を通過した初期光信号（Ｓ_０）の強度変化を含み且つ光強度の変化に比例する検出信号（Ｓ_Ｄ、Ｓ_Ｄ１、Ｓ_Ｄ２）を与える光信号（Ｓ_Ｇ）を受信するために検出域（４）の周辺に備えられた光センサ（８）、検出信号（Ｓ_Ｄ）から検出域（４）内のガス濃度に関する信号を得るために、光信号（Ｓ_Ｇ）を時間で微分した微分検出信号（Ｓ_ＤＡ）を与える微分演算器（２５）を含んで構成される演算手段、初期周波数（ｆ）において初期光信号（Ｓ_０）の強度変化と一致する第１の変調基準信号（Ｓ_ｆ）を生成する交流電源制御手段（１５）、初期周波数（ｆ）の２倍の周波数において初期光信号（Ｓ_０）の強度変化と一致する第２の変調基準信号（Ｓ_ｆ）を生成する信号生成手段（１６）、初期光信号（Ｓ_０）の強度変化の関数であり、ガス濃度に依存しない第１の測定信号（Ｓ_ＭＩ）を得るための第１の演算手段（２４）、第２の変調周波数（Ｓ_２ｆ）と微分検出信号（Ｓ_ＤＡ）との積を時間に渉って積分し、ガス吸収の関数であり初期周波数（ｆ）における初期光信号（Ｓ_０）の強度変調には依存しない第２の測定信号（Ｓ_ＭＡ）を得るための第２の演算手段（１９）、及び第２の測定信号（Ｓ_ＭＡ）を第１の測定信号（Ｓ_ＭＩ）によって除することによりガス濃度に関する最終測定信号（Ｓ_Ｍ）を得るための演算装置（２２）を含んで構成されたガス検出装置であって、第１の演算手段（２４）は微分せずに検出信号（Ｓ_Ｄ、Ｓ_ＤＣ１、Ｓ_ＤＣ２）を受信し、ガス吸収ピークよりも短波長においてレーザ光源が第１の直流駆動電流により操作される際に得られるガス濃度の寄与の無い第１の検出信号（Ｓ_ＤＣ１）及びガス吸収ピークよりも長波長においてレーザ光源が第２の直流駆動電流により操作される際に得られるガス濃度の寄与の無い第２の検出信号（Ｓ_ＤＣ２）の算術平均を計算することによって第１の測定信号（Ｓ_ＭＩ）が決定され、且つ上記第１及び第２の直流駆動電流の差は検出域（４）の光学系のエタロン縞の周期に相当することを特徴とするガス検出装置。

本発明によるエタロン縞の抑制方法に基づいて、第１の測定信号が、より簡単に生成できるガス検出方法及びガス検出装置を提供することが可能となった。

本発明によれば、ガス検出方法は、レーザ光源がガス吸収ピークの中心で操作される際に得られる第１の前測定信号、レーザ光源がガス吸収ピークより長波長で直流駆動電流によって操作される際に得られる第２の前測定信号及ぶレーザ光源がガス吸収ピークよりも短波長で直流駆動電流によって操作される際の第３の前測定信号によって決められる第２の測定信号を生成する工程並びに第１の前測定信号と第２及び第３の前測定信号の平均値との差としての最終的な第２の測定信号を決定する工程を含んで構成されており、上記２つの直流駆動電流の差は前段階の校正工程で決定されたエタロン縞の周期に相当する。本発明の測定方法は、前記の特許文献１及び特許文献２に記載の先行技術に基づいている。本明細書では、技術的背景及び信号処理に関しては上記参考文献の内容を繰り返さない。本発明によるエタロン縞の抑制方法は、上記のような測定信号の生成の全てに適用できる。

この三点測定法の利点は、残留エタロン縞がレーザの直流駆動電流軸を移動しても、残留エタロン縞の寄与を相殺できることである。このようにして、大きな温度変化に対するガス検出装置の安定性が大幅に向上する。上記の吸収ピークのレーザ電流による走査に関しては、三点測定法は極めて迅速な測定手法である。

極めて小さいキャビティによって生成されたエタロン縞の場合には、エタロン縞の周期がレーザの調整波長よりも長いので、その周期を決定することは不可能である。この場合、オフピークの位置はガス吸収ピークから十分に離れているのでガス吸収ピークは関連する信号には影響を及ぼさない。

ガス濃度０において、測定校正信号をレーザの直流駆動電流の関数として生成させ、直流駆動電流間の差としてエタロン縞の周期が決定することにより校正工程が実行される。

エタロン縞の周期に関しては、３つの一般的ケースがある。
（１）ガス吸収ピークの幅以下の周期のエタロン縞
（２）ガス吸収ピークの幅より広く、レーザの全波長可変域よりは狭いエタロン縞
（３）レーザの全波長可変域よりも広いエタロン縞

数ｃｍ（ガス吸収経路の長さに相当する）の光学キャビティにより、（１）のエタロン縞が生成されるが、通常はレーザの変調により阻止される。

レーザチップとレーザヘッドの窓と間隔に相当する数ｍｍの光学キャビティにより、（２）のエタロン縞が生成される。通常、このエタロン縞はレーザの変調でも阻止されず、傾斜したレーザヘッドの窓によって阻止する必要がある。しかし、レーザ光線の開口が広い（１０−２０°）ため、レーザヘッドの金属キャップの縁又は窓と金属キャップ間に残留する接着剤により、一部のレーザ光が反射される。このような残留エタロン縞は、本発明により極めて効率良く阻止される。

１ｍｍよりも遥かに小さい（典型的には１００−３００ミクロン）光学キャビティにより（３）のエタロン縞が生成される。このエタロン縞は識別が難しいのでレーザ変調では対応できない。典型的には、このエタロン縞は２ｆ信号上の温度に依存するオフセットとして認められる。本発明では、このようなエタロン縞を極めて効率良く阻止される。

好適な実施例では、第１の測定信号は、ガス吸収ピークより長波長においてレーザ光源を直流駆動電流で操作した際に得られる第１の検出信号、及びガス吸収ピークより短波長においてレーザ光源を直流駆動電流で操作した際に得られる第２の検出信号を測定し、且つ第１及び第２の検出信号の算術平均を算出することにより生成される。上述したように、三点測定によるエタロン縞の抑制により、極めて簡素化した基準チャネルを提供できる。このため第１の測定信号を生成する方法は簡素化され、第１の測定信号は更に処理される。

ガス検出装置において、第１の測定信号を提供する第１の手段は微分演算器なしで検出信号を受信し、且つ第１の測定信号を決定するために検出すべきガス吸収ピークより長波長でレーザ光源を直流駆動電流で操作した際に得られる第１の検出信号及びガス吸収ピークより短波長でレーザ光源を直流駆動電流で操作した際に得られる第２の検出信号との算術平均を計算することにより第１の測定信号を決定するのに用いられる。双方の検出信号は、直流駆動電流を用いてガス濃度の影響なく決定され、直流駆動電流の差はガス検出域の光学系のエタロン縞の周期に相当する。前述した２つの特許文献では、レーザ式ガス検知器の基準チャネルは、変調周波数ｆ又は２倍の変調周波数２ｆにおいて検出器の信号を解析する独立しているが所定の相関関係を有するロックイン−チャネルから構成されている。エタロン縞の抑制により第１の測定信号が決定される場合は、本発明のガス検出機ではロックイン−チャネルを必要としない。

レーザの温度を固定しない場合には、レーザ強度を変化させる直流駆動電量を再調整する必要があるが、ｆ−信号は調整の必要がないことでわかるように、この方法の利点は極めて簡明である。本発明では、レーザ強度は直接に測定されるので、ガス検出装置の校正は安定している。２ｆ／２ｆ測定によりレーザ光を直接に測定することについては特許文献２に述べられている。しかし、本願の２ｆ／ｄｃ測定の方が、ロックイン−チャネルを必要としない（事前に増幅したホトダイオード信号の平均化のみ必要とする）ので、遥かに簡単に実行できる。

以下、図面を用いて本発明の特徴及び長所を説明するが、図面に示された実施例に限定されるものではない。

既に述べたように、本発明は先に引用した２つの特許出願の測定手法に基づいている。

調整可能なレーザ光源１（図５参照）は、レーザの直流駆動電流により測定すべきガスの吸収ピークに合わせられる。通常、温度のふらつきによる波長のふらつきを防ぐためにレーザの温度は一定に保たれる。レーザの波長がガス吸収ピークを中心に周波数ｆで振動するように、周波数ｆの交流電流がレーザの直流電流に重畳される。

レーザ光はガス検出域４（図５参照）を通って伝送され、検出手段としてのホトダイオードへと入射する。レーザの駆動電流の交流変調により出力されたレーザの強度は、変調周波数ｆにおいて振動する。検出すべきガスが光の経路に存在すると、ガス吸収波長と一致する波長のレーザ光の一部が吸収される。この吸収は変調の１周期に２回起こるので、レーザ光を受けるホトダイオードの出力信号は、直流信号、周波数ｆにおける交流信号及び周波数２ｆにおける交流信号の組合わせとなる。上述した特許文献１及び特許文献２には、ホトダイオードの信号を分離して、レーザ強度及びガス濃度に関する情報が得られる信号処理が記載されている。

本発明において、ガス吸収の関数で周波数ｆにおいて初期光信号Ｓ_０の強度変調に依存しない測定信号Ｓ_ＭＡを得るガス濃度測定は、ガス吸収ピークの中心において実行されるのみならず、３つの独立した測定へ分離される。校正中の第１の工程において、測定校正信号Ｓ_ＭＣを生成させ、且つその極大値の直流駆動電流の差をエタロン縞の周期として決定することにより、レーザの直流駆動電流に関する主要なエタロン縞の周期が決定される（図３Ａ参照）。それに続きガス検出装置では、レーザはガス吸収ピークの中心（図３Ｂの０）で操作され第１の前測定信号Ｓ_Ｍ０を得る。次いでレーザ用直流駆動電流はガス吸収ピークの左側（図３Ｂの１）において第２の前測定信号Ｓ_Ｍ１を得、最終的にレーザ用直流駆動電流はガス吸収ピークの右側（図３Ｂの２）において第３の前測定信号Ｓ_Ｍ２を得る。図３Ｂの位置１と位置２との電流の差は図３Ａのエタロン縞の周期を決定するのに必要である。エタロン縞が短周期の場合、この差はエタロン縞の周期の整数倍となる。ピークから外れた位置１及び位置２のエタロン縞との位置関係、すなわち、エタロン縞の極大、極小又はその中間に位置するかの関連性はない。

ガス濃度の値は測定信号から次の式で決定される。
Ｓ_ＭＡ＝Ｓ_Ｍ０−（Ｓ_Ｍ１＋Ｓ_Ｍ２）／２

エタロン縞が図３Ｂのレーザ用直流駆動電流の軸を越えて位置を移動しても、残留エタロン縞の寄与が打ち消されることが三点測定方式の利点である。

上述の三点測定方式によるエタロン縞の抑制により、基準チャネルが簡単に実行できるようになる。

特許文献１及び特許文献２に記載した基準信号の測定は、ガス検出装置が常にガス吸収線の中心において操作されるとの原理に基づいている。ガス濃度がゼロでない場合の光検出へ入射する光強度は一般に図４Ｂに示すような曲線となるので、ガス濃度とレーザ強度を分離するためにロックイン方式が必要となる。上述したように、三点測定方式においては、遥かに簡単に分離できる。２ｆ信号は３つの測定点において測定される。しかし、ガス吸収ピークの位置１及び位置２における測定では、検出信号へは何らの濃度の寄与は認められない（図４Ａ参照）。この２点の光強度は検出信号の時間による変化を平均することにより決定される。従って、全測定工程は次の手順により構成される。

１．ガス吸収ピークの中心における周波数２ｆの第１の前信号Ｓ_Ｍ０の測定
２．ガス吸収ピークの波長より短波長であるガス吸収ピークの左側１のレーザ用直流駆動電流における周波数２ｆの第２の前測定信号Ｓ_Ｍ１の測定
３．ガス吸収ピークの左側１のレーザ用直流駆動電流におけるガスの無い場合の初期光信号Ｓ_０の強度の関数である第１の検出信号Ｓ_ＤＣ１の測定
４．ガス吸収ピークの波長より長波長であるガス吸収ピークの右側２のレーザ用直流駆動電流における周波数２ｆの第３の前測定信号Ｓ_Ｍ２の測定
５．ガス吸収ピークの右側２のレーザ用直流駆動電流におけるガスの無い場合の初期光信号Ｓ_０の強度の関数である第２の検出信号Ｓ_ＤＣ２の測定

図３Ｂ及び図４Ｂに示されるように、位置０における信号はガス濃度の関数であるので、その位置のレーザ用の直流駆動電流は強度測定には使えない。

検出器に入射する光の強度に依存しない最終の測定信号Ｓ_Ｍは次の式で与えられる。
Ｓ_Ｍ=Ｓ_ＭＡ／Ｓ_ＭＩ=[Ｓ_Ｍ０−(Ｓ_Ｍ１＋Ｓ_Ｍ２)／２]／[(Ｓ_ＤＣ１＋Ｓ_ＤＣ２)／２]

上記の式中、Ｓ_ＭＩは第１の検出信号と第２の検出信号の平均値である。エタロン縞の抑制は、特許文献１及び特許文献２に記載したガス検出装置を用いて実行される。図５は本発明による、エタロン縞の抑制及びその校正を活用したガス検出装置の一実施例を示している。ガス検出装置はハウジング６内のレーザヘッドに備えられたレーザ光源１を用いている（複数のレーザ光源及びそれに対応する複数のセンサを用いてもよい）。このレーザヘッドは、レーザ光源へ供給する電流が正確に決定されるように少なくとも１つのガスを充填した封止したセルを含んで構成してもよく、上記並びに一般的に知られているように光のピークの中心波長はガスの吸収線の中心に対応している。更にヘッドは温度センサ１２を備え、必用ならば温度測定手段１１に電気的に連結された制御用ヒータを備えてもよい。ハウジング６は、レーザ光源１からのレーザ光線が通過しガス濃度を測定するガス注入部５を備えた試料室又はガス検出域４を有している。光センサ８はレーザ光線を受け、ガス検出域４におけるガス濃度に起因する光強度に直接に比例する初期光信号Ｓ_０の強度変化を含んでいる信号Ｓ_Ｇを出力する。検出信号Ｓ_Ｄとしての出力信号Ｓ_Ｇは、最終測定信号Ｓ_Ｍを出力する手段へ送られる。

ガス検出装置はレーザ光源１への電力供給手段３及びレーザ光源１を制御する直流電流信号を決める直流電流供給制御手段１３も含んで構成されている。交流処理手段１４は、所定の基準周波数ｆにおける前述したようにガス吸収線の周りを交互に走査する交流変調信号を決める交流電流供給制御手段１５を含んで構成される。先行技術からわかるように、変調基準信号Ｓ_ｆは交流変調信号から生成される。交流手段１４は、更に初期の変調周波数ｆの２倍の周波数の変調基準信号Ｓ_２ｆを生成する。本発明では、変調基準信号Ｓ_２ｆはロックイン増幅器１９へ供給される。ロックイン増幅器１９は、光センサ８からの信号が微分演算器２５において時間で微分されプレアンプ２３を経た微分検出信号Ｓ_ＤＡも受信する。ロックイン増幅器１９において変調基準信号と微分検出信号Ｓ_ＤＡの積が交流変調信号の数周期に渉って積分される。積分の結果が、ガス濃度に比例する前測定信号Ｓ_Ｍ０、Ｓ_Ｍ１、Ｓ_Ｍ２である。前測定信号Ｓ_Ｍ０、Ｓ_Ｍ１、Ｓ_Ｍ２は演算装置２２へ送信される。

直流駆動電流がガス吸収ピークよりも長波長で操作された際に得られる第１の検出信号Ｓ_ＤＣ１並びに直流駆動電流がガス吸収ピークよりも短波長で操作された際に得られる第２の検出信号Ｓ_ＤＣ２はプレアンプ２４を経由して演算装置２２へ到達する。

演算装置２２は、上述した式Ｓ_Ｍ＝Ｓ_ＭＡ／Ｓ_ＭＩにて与えられる最終の測定信号Ｓ_Ｍを算出する。最終の測定信号Ｓ_Ｍはエタロン縞を考慮し且つレーザ光の強度には依存しない。

メタンガスが無い場合のガス検出装置のエタロン縞を示す図 メタンガス存在下におけるガス検出装置のエタロン縞を示す図 第２の独立した波長変調を用いた酸素ガスの無い場合のガス検出装置の残留エタロン縞を示す図 第２の独立した波長変調を用いた３つの酸素ガスの吸収ピークを有する場合のガス検出装置の残留エタロン縞を示す図 測定すべきガスが無い場合のエタロン縞の評価により吸収ピークから外れて決定された測定点とレーザ用の直流駆動電流との関係を示す図 吸収ピーク（０）及び吸収ピークから外れた図３Ａの測定点（１）及び（２）の三点測定を示す図 ガス吸収ピークを外れて操作した場合のホトダイオードの光強度の時間による変化を示す図 ガスの存在下でガス吸収ピークにおいて操作した場合のホトダイオードの光強度の時間による変化を示す図 光信号の強度の関数である検出信号から第１の測定信号を生成させるために、光信号に直接に比例する検出信号を用いる本発明によるガス検出装置の一実施例の主要部を示す摸式図

符号の説明

１ レーザ光源
３ 電力供給手段
４ ガス検出域（試料室）
５ ガス注入部
６ ハウジング
８ 光センサ
１１ 温度測定手段
１２ 温度センサ
１３ 直流電源制御手段
１４ 交流処理手段
１５ 交流電源制御手段（変調基準信号Ｓ_ｆ生成手段）
１６ 変調基準信号Ｓ_２ｆ生成手段
２２ 演算装置
２３、２４ プレアンプ
２５ 微分演算器
Ｓ_０ 初期光信号
Ｓ_Ｇ 出力信号
Ｓ_Ｄ 検出信号
Ｓ_ＤＡ 微分検出信号
Ｓ_ｆ 変調基準信号
Ｓ_２ｆ 変調基準信号
Ｓ_ＭＡ 測定信号
Ｓ_ＭＣ 測定校正信号
Ｓ_Ｍ０ 第１の前測定信号
Ｓ_Ｍ１ 第２の前測定信号
Ｓ_Ｍ２ 第３の前測定信号
Ｓ_ＤＣ１ 第１の検出信号
Ｓ_ＤＣ２ 第２の検出信号
Ｓ_ＭＩ 平均検出信号
Ｓ_Ｍ 最終測定信号

Claims (4)

1. 直流電流により駆動される波長変調されたレーザ光源（１）により初期光信号（Ｓ_０）が与えられる工程、
   検出すべきガスの吸収線に対して対称な初期周波数（ｆ）において初期光信号（Ｓ_０）を波長変調するために、第１の基準信号として初期周波数における交流変調信号（Ｓ_ｆ）が与えられる工程、
   ガス吸収線に対して対称的に交互に走査して得られた時間により強度変化する初期光信号（Ｓ_０）は、少なくとも１つのガスが検出されるようにガス検出域（４）を通過させる工程、
   ガス検出域（４）を通過したガスにより初期光信号（Ｓ_０）の強度が変化した結果を含む光信号（Ｓ_Ｇ）が検出手段（８）によって受信され検出信号（Ｓ_Ｄ）として出力される工程、
   初期光信号（Ｓ_０）の強度の関数である検出信号（Ｓ_Ｄ、Ｓ_ＤＣ１、Ｓ_ＤＣ２）から少なくとも１つの測定信号（Ｓ_ＭＩ）を生成させる工程、
   ガス吸収に依存するが初期周波数（ｆ）における初期光信号（Ｓ_０）の強度変調に依存しない第２の測定信号（Ｓ_ＭＡ）を生成させるために、光信号（Ｓ_Ｇ）を時間で微分した微分検出信号（Ｓ_ＤＡ）と、所定の振幅及び初期光信号（Ｓ_０）の強度変化と所定の相関関係を有する初期周波数（ｆ）の２倍の周波数における変調基準信号（Ｓ_２ｆ）との積が時間に渉って積分される工程、
   第２の測定信号（Ｓ_ＭＡ）を少なくとも１つの測定信号（Ｓ_ＭＩ）で除することにより検出手段（８）へ入射する光強度に依存しない最終測定信号（Ｓ_Ｍ）がガス濃度に関連する信号として得られる工程を含んで構成されたガス検出方法であって、
   少なくとも１つの測定信号（Ｓ _ＭＩ ）は時間による微分をしない検出信号（Ｓ _Ｄ 、Ｓ _ＤＣ１ 、Ｓ _ＤＣ２ ）より生成され、
   レーザ光源がガス吸収ピークにおいて操作されて２倍の周波数（２ｆ）における第１の前測定信号（Ｓ_Ｍ０）が得られ、レーザ光源がガス吸収ピークよりも短波長において第１の直流駆動電流で操作されて２倍の周波数（２ｆ）における第２の前測定信号（Ｓ_Ｍ１）が得られ且つレーザ光源がガス吸収ピークよりも長波長において第２の直流駆動電流で操作されて２倍の周波数（２ｆ）における第３の前測定信号（Ｓ_Ｍ２）が得られ、ここで前記第１の直流駆動電流と前記第２の直流電流との差は前工程である校正工程で決定されるエタロン縞の周期に相当し、且つ
   第１の前測定信号（Ｓ_Ｍ０）と、第２の前測定信号（Ｓ_Ｍ１）及び第３の前測定信号（Ｓ_Ｍ２）の算術平均との差として第２の測定信号（Ｓ_ＭＡ）が決定されることを特徴とするガス検出方法。
2. 測定すべきガスの無い状態においてレーザ用の直流駆動電流の関数としての測定校正信号（Ｓ_ＭＣ）が生成され、且つ極大値間の直流駆動電流の差としてエタロン縞の周期が決定されることにより前記校正工程が実行されることを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
3. レー光源がガス吸収ピークより短波長において直流駆動電流により操作される際に得られる第１の検出信号（Ｓ_ＤＣ１）と、レーザ光源がガス吸収ピークよりも長波長において直流駆動電流により操作される際に得られ第２の検出信号（Ｓ_ＤＣ２）とからその算術平均を算出することにより第１の測定信号（Ｓ_ＭＩ）が生成されることを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
4. 初期光信号（Ｓ_０）を与える少なくとも１つの波長変調されたレーザ光源（１）、
   少なくとも１つの検出すべきガスを受容するガス検出域（４）、
   初期周波数（ｆ）において前記ガスの吸収線に対して対称に変調し、且つ時間によって強度変化する初期光信号（Ｓ_０）を得るために、直流電流信号を規定する直流電源制御手段（１３）、
   前記ガス吸収線の周りの初期光信号（Ｓ_０）の光強度を所定の初期周波数（ｆ）で交互に操作するための交流電源信号を規定する交流処理手段（１４）、
   検出域（４）を通過した初期光信号（Ｓ_０）の強度変化を含み且つ光強度の変化に比例する検出信号（Ｓ_Ｄ、Ｓ_Ｄ１、Ｓ_Ｄ２）を与える光信号（Ｓ_Ｇ）を受信するために検出域（４）の周辺に備えられた光センサ（８）、
   検出信号（Ｓ_Ｄ）から検出域（４）内のガス濃度に関する信号を得るために、光信号（Ｓ_Ｇ）を時間で微分した微分検出信号（Ｓ_ＤＡ）を与える微分演算器（２５）を含んで構成される演算手段、
   初期周波数（ｆ）において初期光信号（Ｓ_０）の強度変化と一致する第１の変調基準信号（Ｓ_ｆ）を生成する交流電源制御手段（１５）、
   初期周波数（ｆ）の２倍の周波数において初期光信号（Ｓ_０）の強度変化と一致する第２の変調基準信号（Ｓ_ｆ）を生成する信号生成手段（１６）、
   初期光信号（Ｓ_０）の強度変化の関数であり、ガス濃度に依存しない第１の測定信号（Ｓ_ＭＩ）を得るための第１の演算手段（２４）、
   第２の変調周波数（Ｓ_２ｆ）と微分検出信号（Ｓ_ＤＡ）との積を時間に渉って積分し、ガス吸収の関数であり初期周波数（ｆ）における初期光信号（Ｓ_０）の強度変調には依存しない第２の測定信号（Ｓ_ＭＡ）を得るための第２の演算手段（１９）、及び
   第２の測定信号（Ｓ_ＭＡ）を第１の測定信号（Ｓ_ＭＩ）によって除することによりガス濃度に関する最終測定信号（Ｓ_Ｍ）を得るための演算装置（２２）を含んで構成されたガス検出装置であって、
   第１の演算手段（２４）は微分せずに検出信号（Ｓ_Ｄ、Ｓ_ＤＣ１、Ｓ_ＤＣ２）を受信し、ガス吸収ピークよりも短波長においてレーザ光源が第１の直流駆動電流により操作される際に得られるガス濃度の寄与の無い第１の検出信号（Ｓ_ＤＣ１）及びガス吸収ピークよりも長波長においてレーザ光源が第２の直流駆動電流により操作される際に得られるガス濃度の寄与の無い第２の検出信号（Ｓ_ＤＣ２）の算術平均を計算することによって第１の測定信号（Ｓ_ＭＩ）が決定され、且つ
   上記第１及び第２の直流駆動電流の差は検出域（４）の光学系のエタロン縞の周期に相当することを特徴とするガス検出装置。

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